3D DRAM 용 하부 기판과 전극에 따른 a-IGZO 특성 연구

Abstract

DRAM은 빠른 속도 및 높은 집적도 구현이 가능한 메모리이다. DRAM은 고집적화 기술을 통해 성능 개선을 해왔으나 5년 이내 물리적 한계 봉착이 예상되며, 이를 극복할 수 있는 방안으로 새로운 구조의 3D DRAM이 유력한 후보이다. 3D DRAM은 평면 형태의 셀을 z축 방향으로 적층하는 구조를 가진 DRAM을 의미하며, 3D DRAM 개발 시 구조 혁신과 더불어 소자 사양에 맞도록 적용 물질이 변경될 것이다. 특히 트랜지스터 채널 물질을 현재 사용중인 단결정 실리콘 기판에서 각 적층된 셀 층마다 채널 물질을 박막으로 형성해 주어야 한다. 다양한 채널 물질 후보군 중 공정 난도가 낮으며 양산성을 확보할 수 있는 스퍼터링, 원자층 증착 방법 등으로 박막 증착이 가능하고, 적당한 이동도와 낮은 누설전류, 균일도가 높은 비정질 구조를 가진 비정질 산화물 반도체가 주목받고 있다. 비정질 산화물 반도체 중 a-IGZO는 디스플레이 트랜지스터의 채널로 상용화된 물질로, 이를 3D DRAM 채널로 사용하기 위해서 물리적, 전기적 특성 및 채널을 둘러싼 절연막 및 전극 등을 포함한 주변 공정의 연구가 중요하게 필요한 시점이다. 따라서 본 논문은 고주파 교류 마그네트론 스퍼터링 장비를 이용하여 증착한 a-IGZO 박막을 3D DRAM의 채널 층으로 적용하기 위해 하부 기판 및 소스/ 드레인 전극 물질에 따른 a-IGZO 특성을 연구하였다. 첫 번째 연구 파트에서 열 산화 SiO2와 원자층 증착 SiO2의 게이트 절연막(하부 기판)에 따라 a-IGZO의 증착 거동 및 박막 트랜지스터의 특성을 비교하고, 그 차이의 원인을 규명하였다. 열 산화 SiO2 대비 원자층 SiO2의 기판에서 a-IGZO박막 내 인듐의 감소와 전기적 특성 열화가 나타났는데, 이는 스퍼터링 장비 내 발생하는 리스퍼터링에 의해 기인한 현상이다. 열 산화 SiO2 대비 원자층 SiO2의 낮은 밀도로 물리적 충격인 리스퍼터링 효과가 더 많이 나타나면서 결합력이 약한 인듐이 제거되며 조성비를 변화시키고, 박막의 결함을 증가시켜 전기적 특성이 열화된 것임을 실험을 통해 검증하였다. 또한 스퍼터링 a-IGZO 증착하는 과정에서 리스퍼터링이 지속해서 발생하고 있으며, 하부 기판의 결함 정도에 따라 증착된 a-IGZO 상부 막의 결함 생성이 증가되는 반면, 하부 막의 밀도가 치밀해져 a-IGZO 두께 증가에 따라 축적층을 이루는 하부 막의 전자 밀도 증가에 따라 우수한 전기적 특성을 보였다. 두 번째 연구 파트는 소스/드레인 전극 물질(ITO, Ti, TiN )에 따른 a-IGZO 박막 트랜지스터의 특성으로부터 채널 층과 전극 물질 간의 계면 층이 미치는 영향성 및 원인 분석을 하였다. TiN, Ti, ITO 순으로 a-IGZO 박막 트랜지스터의 우수한 전기적 특성을 보였고, TLM 방식으로 추출한 접촉 비저항은 ITO, Ti, TiN 전극 순으로 3.5*10-4, 1.9*10-4, 1.2*10-4Ωcm2으로, TiN의 낮은 접촉 비저항 특성을 확인하였다. 전극별 접촉 비저항에 영향을 미치는 요인을 확인하고자 전극의 고유 비저항과 일함수 비교, 전극과 a-IGZO, 계면 특성을 분석하였다. 전극의 비저항은 ITO가 가장 높고 Ti와 TiN은 유사한 수준이며, 일함수 측면 ITO, Ti, TiN 순서대로 a-IGZO와 이루는 쇼트키 장벽이 낮아 캐리어 이동이 용이하다. 계면 층을 분석 결과, a-IGZO와의 계면 층은 ITO, Ti, TiN 순으로 3.1, 3.9, 1.2nm 두께이며, ITO와 Ti의 경우 a-IGZO와 이루는 계면 층이 거칠고 접촉이 불량하였으나, TiN은 안정한 계면 층을 이루고 있다. 또한 ITO와 Ti는 각각 하부 a-IGZO로 금속 이온 확산과 a-IGZO의 산소를 빼앗아 결정 구조로 변화시키는 반면 TiN은 a-IGZO의 변형을 일으키지 않았다. 따라서 TiN 전극은 금속 비저항이 낮고, 안정적인 계면 층 형성 및 a-IGZO와의 낮은 반응성으로 우수한 접촉 저항을 가짐을 확인함에 따라 향후 짧은 채널 트랜지스터(scaled TFT) 및 3D DRAM의 소스/드레인 전극 물질로 사용할 수 있다. 본 연구는 a-IGZO 채널 층과 하부 기판, 전극 물질과의 상호 작용에 대해 다양한 실험과 분석을 하였으며, 이는 a-IGZO를 3D DRAM의 채널로 적용하기 위한 기반 기술로의 의미를 가진다.

DRAM is a memory capable of rapid speed and high density and has improved performance through scaling technology. However, physical limitations are expected within 5 years, and the 3D DRAM structure is a way to overcome them. Amorphous oxide semiconductors with excellent mass production, moderate mobility, very low leakage current, and high uniformity are attracting attention as channel materials in 3D DRAM. Among them, research on a-IGZO as a transistor channel for DRAM is needed. Therefore, in this work, we studied a-IGZO characteristics according to the substrates and electrodes to apply a-IGZO thin film deposited using Radio-Frequency magnetron sputtering as a channel layer within 3D DRAM. In the first part, we compared the process of a-IGZO deposition and transistor characteristics according to the substrate of thermal oxide SiO2 and atomic layer deposition SiO2 and investigated the cause of the difference. In the substrate of the atomic layer SiO2 compared to the thermal oxide SiO2, the reduction of In of a-IGZO and the electrical characteristics were degraded, caused by re-sputtering occurring in the sputtering equipment. As a result, the re-puttering effect, a physical impact, occurs more in the low-density atomic layer SiO2; the composition ratio is changed by removing In. And re-sputtering increased defects in the a-IGZO thin film, resulting in the deterioration of electrical properties. During the a-IGZO deposition process, re-sputtering continues to occur, increasing the defects of the upper film of the a-IGZO according to the degree of defects of the substrate. On the other hand, the lower film became dense, and as the a-IGZO thickness increased, the electron density and thin film density increased, resulting in excellent electrical properties. In the second part, we evaluated the electrical properties of a-IGZO thin film transistors according to ITO, Ti, and TiN electrode materials. And we analyzed the influence between the channel layer and the electrode. The a-IGZO thin film transistor showed excellent electrical characteristics in the order of TiN, Ti, and ITO. The contact resistivity extracted by the TLM method was 3.5*10-4, 1.9*10-4, and 1.2*10-4Ωcm2 in the order of ITO, Ti, and TiN electrodes, and low contact specific resistivity of TiN was confirmed. We analyzed the work function of the electrode, interface characteristics to confirm factors affecting contact resistivity. As a result, TiN electrodes can be used as source/drain electrode materials for short channel transistors (scaled TFTs) and 3D DRAM due to their low specific resistivity, stable interface layers, and low reactivity with a-IGZO. This work verified the interaction between the a-IGZO channel layer, the substrate, and electrode material through various experiments and analysis, and the result of this work is meaningful as a base technology to apply a-IGZO in 3D DRAM as a channel.